提高微流芯片生物传感器检测限的研究

发布时间：2017-08-03 13:25

  本文关键词：提高微流芯片生物传感器检测限的研究

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【摘要】：微流控芯片又称芯片实验室,其特点是把化学、生物学领域所涉及的样品分离、制备、反应、检测和信息处理等操作单元都集成在一块芯片上,具有操作简单、检测迅速、体积小巧、携带方便以及样品用量少等优点。微流控光学检测技术和纳米材料检测技术是微流控芯片中检测技术的分支,以实现简化检测步骤和提高检测效果。其中,折射率生物传感器由于具有较高的检测精度,实时检测和无标记等优点,被广泛应用；纳米线生物传感器,由于其具有非常高的检测灵敏度,成为近年来的研究热点。对于应用在微流控芯片中的生物传感器,检测限是衡量其检测能力的重要参数之一,表示传感器对于样品检测的最小分辨能力。本论文以提高微流控芯片中生物传感器的检测限为目标,围绕法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器和纳米线场效应管生物传感器,开展了的理论研究和实验探索工作,所取得的主要研究成果总结如下：1.创新性地将绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator, SOI)衬底引入到法布里-珀罗光学谐振腔的设计当中,并以此制备了高度光滑和平行的反射镜。在制作时,腐蚀液在SiO2层自动停止,保证了良好的光滑度和平行度。在此基础上,将Ta205和SiO2交替沉积在谐振腔表面,构成布拉格反射镜,制备出具有高品质因数Q的法布里-珀罗光学谐振腔。经实验测试,该法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器的灵敏度为1100±121nm/RIU,品质因数Q为861,检测限为1.1×10-5RIU。这一检测限值高于其它目前报道的关于法布里-珀罗光学谐振腔的数值。2.针对系统噪声,设计制作了双腔结构的差分法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器。该传感器由集成在一起的法布里-珀罗光学谐振腔并与具有双探头的光差分探测器,构成了光学差分系统。该光学差分探测系统,有效地抑制了激光器的功率误差和频率漂移误差以及温度的影响；此外,还可以有效地将差分信号从相对较大的背景功率中提取出来,使有效的小信号获得足够的放大空间。经实验测试,差分法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器的检测限可达到5.5×10-8RIU,该数值是目前已报道的微流控光学传感器在实验中所能得到的最好成果之一3.为提高纳米线场效应管生物传感器的检测限,在InAs/InP纳米线器件中采用了3.3nm的InP包层厚度；对SiO2层厚度和Au/Ti电极进行了优化；采用锥形纳米线中的应力诱导作用,产生轴向加速漂移压电场效应,提高了纳米线场效应管载流子迁移率。经试验测定,其电子迁移率达22,300 cm2/Vs,该数值是目前纳米线器件在室温下所得到的最好成果之一。4.发现了由于应变所产生的带隙差以及通过位错应变来调节带隙差的方法,使锥形InAs/InP芯包层纳米线具有二极管特性。在此纳米线中,沿轴向分布的位错应变可以由包层的厚度以及锥形的梯度进行调节。当InP包层厚度为6.5 nm时,沿轴向由位错应变而产生的带隙差可达到0.21 eV,在这一带隙差的作用下,纳米线器件的I-V曲线呈现出典型的二极管特性。为设计新型的纳米线器件打下基础。
【关键词】：微流控芯片 生物传感器 检测限 法布里-珀罗光学谐振腔 纳米线场效应管 纳米线二极管
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 图目录13-16
• 表目录16-17
• 主要符号表17-18
• 1 绪论18-46
• 1.1 生物芯片技术概述18-19
• 1.2 微流控芯片技术概述19-21
• 1.3 应用于微流控芯片的光学检测技术概述21-37
• 1.3.1 表面等离子体共振检测技术22-25
• 1.3.2 光学微谐振环检测技术25-26
• 1.3.3 光栅光纤检测技术26-27
• 1.3.4 光子晶体检测技术27-28
• 1.3.5 法布里-珀罗光学谐振腔检测技术28-37
• 1.4 应用于微流控芯片的纳米器件检测技术概述37-44
• 1.4.1 纳米器件简介37-38
• 1.4.2 纳米线场效应管检测技术38-42
• 1.4.3 纳米线场效应管的载流子迁移率42-44
• 1.5 本文主要研究思路44-46
• 2 折射率与纳米线生物传感器的建模与参数计算方法46-62
• 2.1 引言46
• 2.2 法布里-珀罗光学谐振腔的设计模型46-53
• 2.2.1 光线的反射与透射-斯托克斯关系式46-47
• 2.2.2 单反射层的法布里-珀罗光学谐振腔设计模型47-49
• 2.2.3 多反射的法布里-珀罗光学谐振腔设计模型49-53
• 2.3 生物传感器中重要参数的计算方法53-60
• 2.3.1 灵敏度的计算54-56
• 2.3.2 品质因数Q的计算56
• 2.3.3 检测限的计算56-57
• 2.3.4 系统噪声57-59
• 2.3.5 谱线位移最小分辨率的计算59-60
• 2.4 纳米线场效应管中重要参数的计算方法60-61
• 2.4.1 纳米线场效应管电子迁移率的计算60-61
• 2.5 本章小结61-62
• 3 单法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器的设计与实现62-85
• 3.1 传感器的总体设计62-63
• 3.2 传感器的加工工艺63-72
• 3.2.1 传感器的总体工艺步骤63-64
• 3.2.2 SOI衬底的设计与加工64-69
• 3.2.3 微流槽与谐振腔的腐蚀加工69-70
• 3.2.4 光学谐振腔的镀膜与键合70-72
• 3.3 光学谐振腔制备结果的表征72-79
• 3.3.1 谐振腔反射镜光滑度的表征72-76
• 3.3.2 谐振腔反射镜间的平行度的表征76-79
• 3.4 器件的测试79-84
• 3.4.1 测试环境与溶液配制79-81
• 3.4.2 实验结果81-83
• 3.4.3 性能参数计算83-84
• 3.5 本章小结84-85
• 4 差分法布里-珀罗光学谐振腔生物传感器的设计与实现85-99
• 4.1 传感器的总体设计85-86
• 4.2 传感器的加工工艺86-88
• 4.3 差分法布里-珀罗光学谐振腔传感器的检测原理88-93
• 4.4 器件的测试93-97
• 4.5 本章小结97-99
• 5 纳米线场效应管的设计与实现99-131
• 5.1 纳米线场效应管的总体设计99-101
• 5.2 锥形InAs/InP纳米线的生长101-107
• 5.2.1 锥形InAs/InP芯包层纳米线的生长流程101-105
• 5.2.2 锥形InAs/InP芯包层纳米线的表征105-107
• 5.3 纳米线的排列与器件的制作107-113
• 5.4 纳米线场效应管的测试与结果分析113-129
• 5.4.1 纳米线场效应管的测试113-116
• 5.4.2 纳米线场效应管电子迁移率的计算116-118
• 5.4.3 器件的高电子迁移率分析118-122
• 5.4.4 纳米线器件二极管特性分析122-129
• 5.5 本章小结129-131
• 6 结论与展望131-134
• 6.1 结论131-132
• 6.2 创新点摘要132-133
• 6.3 展望133-134
• 参考文献134-141
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果141-142
• 致谢142-143
• 作者简介143

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 骆苏华;特种SOI材料、器件及SnO_2纳米结构研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2006年

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本文编号：614594